ZeroMQ 深度探索

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序

最初认识 ZeroMQ 是被它的名号所吸引，最近在一个高性能中间件的项目中用到了 ZeroMQ，对这个号称“史上最快的消息队列”有了更深层次的了解。如果我们仅仅把 ZeroMQ 看作是一个消息队列，那就完全搞错了，ZeroMQ 是一套智能传输层协议，它不仅为开发者提供了强大的开发包，还包含了一套很棒的通信协议的实现，更值得一提是，它对分布式系统开发有着相当独到的见解，绝对值得我们好好学习。ZeroMQ 的最终目标是加入 Linux 内核，目前 ZeroMQ 已经出现在 YUM 中，相信 ZeroMQ 的未来会越来越美好！

ZeroMQ 特点介绍

1、支持高并发的异步 Socket 框架

2、协议比 TCP 更快、适用于大型集群和分布式计算

3、提供多种消息传递机制，如 inproc/IPC/TCP/multicast 等

4、内置丰富的组合模式，可用于简化大型分步式计算架构

5、提供异步 I/O 模式，适用于可扩展的多核应用开发

6、拥有活跃的开发者社区提供技术支持，发展相当迅速

7、支持超过 30 种的编程语言，如 C/C++/Java/.NET/Python/PHP 等

8、良好的跨平台性，支持多种 OS，如 Linux/Windows/OS X 等

9、拥有 iMatix 公司的商业级别支持，却是完全免费的

ZeroMQ 设计哲学

综合来说，ZeroMQ 的设计哲学在于“权衡”两字，其实 ZeroMQ 的名字就体现了这一点。“Zero”表示从零开始，也就是从无到有；ZeroMQ 不提供现成的安装套件（比如broker），这也意味着使用者必须自己来构建需要的套件，这种做法各有利弊；“利”在于使用者可以自由的构造属于自己的分布式系统，而“弊”则在于门槛比较高，对于不熟悉编程的使用者来说就麻烦大了。不过，相比与通过功能迭代来实现复杂需求的方案来说，ZeroMQ 更倾向于从根本上解决问题，这也正体现了 ZeroMQ 创始人 Pieter Hintjens
的设计哲学。

ZeroMQ 面向用户

ZeroMQ 是为那些对大型分布式系统感兴趣的开发者们而生的！假如你熟悉 C 语言，那么使用 ZeroMQ 将是件非常享受的事情，因为 ZeroMQ 开发包中已经包含了非常丰富的 C 语言的使用范例，有经验的开发者可以快速入手。使用 ZeroMQ 可以为我们节省下大量的编码时间，当然在此之前，我们需要把 ZeroMQ 的基础知识和用法理解透彻，否则误用或者错用的话，后果将是“很严重”的！接下来，我们开始学习 ZeroMQ 的基础知识。

ZeroMQ 学前必读

ZeroMQ 究竟是什么？也许我们应该先“大肆吹嘘”一番，但这显然是毫无意义的，也不是我们技术人员的本色。简单来说，ZeroMQ 是一个更小、更快、更简单的智能传输层协议，它可以帮助我们简化原本非常复杂的事情，实际上，这也就是当初设计 ZeroMQ 时的初衷。

今天，我们的世界变得越来越复杂，我们使用的软件也在随着人类社会的变化而演变。可以预见到的是，未来的软件系统将会变得越来越庞大，就像人类的大脑一样，错综复杂；这个时候，我们必须得把问题分解开来，逐个击破，否则，软件最终只能变成可怕的巨兽，把一切都搞砸。分而治之，讲的就是这个道理，这也就是我们需要分布式系统的原因。

在分布式系统中，代码之间需要通信，此时我们就必须使用网络、协议、线程这些工具来实现；然而，现实情况是，即使我们已经拥有了这些工具，但实现起来仍然非常费功夫。目前业界可用的网络协议比较有限，比如 TCP/UDP/HTTP/Websocket 等；这些协议要么太复杂，要么太笨重，也许我们会抱怨道，难道没有其他的选择了吗？ZeroMQ 是否会是我们期待的答案？下面，让我们回到两个最基本的问题上，一是如何实现代码之间需要通信，二是如何让通信变得更简单高效。

ZeroMQ HelloWorld

接下来，我们先从一个最简单的例子，即 HelloWorld 项目讲起。这就是网络请求中最基本的“请求-响应”模式（Request-Reply），客户端往服务端发送“Hello”，服务端回应“World”，如图1-1。



以下是 HelloWorld 项目的服务端代码（hwserver.c），熟悉 Socket 编程的同学应该很容易理解其中的语法，即使用 TCP 协议，监听 5555 端口，然后不停地接受、打印并返回信息，每次处理后停止 1 秒。

[cpp]
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// Hello World server

#include <zmq.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>

int main (void)
{
// Socket to talk to clients
void *context = zmq_ctx_new ();
void *responder = zmq_socket (context, ZMQ_REP);
int rc = zmq_bind (responder, "tcp://*:5555");
assert (rc == 0);

while (1) {
char buffer [10];
zmq_recv (responder, buffer, 10, 0);
printf ("Received Hello\n");
zmq_send (responder, "World", 5, 0);
sleep (1); // Do some 'work'
}
return 0;
}

以下是 HelloWorld 项目的客户端代码（hwclient.c），逻辑也很简单，向服务端连续发送 10 条消息，接受并打印返回信息。

[cpp]
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// Hello World client
#include <zmq.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main (void)
{
printf ("Connecting to hello world server…\n");
void *context = zmq_ctx_new ();
void *requester = zmq_socket (context, ZMQ_REQ);
zmq_connect (requester, "tcp://localhost:5555");

int request_nbr;
for (request_nbr = 0; request_nbr != 10; request_nbr++) {
char buffer [10];
printf ("Sending Hello %d…\n", request_nbr);
zmq_send (requester, "Hello", 5, 0);
zmq_recv (requester, buffer, 10, 0);
printf ("Received World %d\n", request_nbr);
}
zmq_close (requester);
zmq_ctx_destroy (context);
return 0;
}

服务端代码的运行结果如图1-2。



客户端代码的运行结果如图1-3。



运行结果很容易理解，这就是一个标准的“请求-响应”模式的例子。从中我们可以看到使用 ZeroMQ 的类库实现起来还是很简单的，和基础 Socket 库的用法差不多，实现的功能也差不了多少，但是事实是否如此呢？在下一篇《ZeroMQ 深度探索（二）》中我们将深入讨论这个问题，未完待续...

TIP：建议大家使用 3.2 以上的版本进行开发。以后所有的的例子都是基于 C 语言的。所有的示例代码可以通过“git clone --depth=1 git://github.com/imatix/zguide.git”获取。

在上一篇《ZeroMQ 深度探索（一）》中，我们使用 ZeroMQ 完成了基本的“请求-响应”模式，这个例子是基于 TCP 协议的，用法和原生的 Socket API 也差不多，都是“初始化、绑定或连接、发送、接收 ...”的流程，但是在一些特殊的情况下，我们发现了一些有趣的现象。我们尝试在未启动服务端（hwserver）的情况下运行客户端（hwclient），我们发现客户端程序在发送了第一条信息之后就阻塞住了，如图2-1。



图2-1

接着，我们再启动服务端程序，发现客户端程序又开始正常运行了，连续发了 10 条消息后退出。这种现象似乎和 Socket API 的 TCP 通信行为不大相同，接下来我们来验证一下。我们使用 Socket API 来实现一个与前面相同的“请求-响应”模式的例子。下面是服务端代码（hwserver2.c），逻辑和之前的 hwserver.c 类似，监听 6666 端口，不停地接受、打印并返回信息，每次处理后停止 1 秒。

[cpp]
view plaincopy

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORTNUM 6666
#define CONNMAX 5
#define BUFFSIZE 32
#define die(err) { perror(err); exit(1); }

void c_action(int sock)
{
char buffer[BUFFSIZE];
int received = -1;
char *send_s = "World";
// 接收消息
while ((received = recv(sock, buffer, BUFFSIZE, 0)) > 0) {
buffer[received] = 0;
printf ("Recv %s\n", buffer);
// 发送反馈
if (send(sock, send_s, received, 0) != received) {
die("failed to send");
}
printf ("Send %s\n", send_s);
sleep(1);
}
close(sock);
}

int main(void)
{
struct sockaddr_in s_addr, c_addr;
int s_sock, c_sock;

if ((s_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
die("failed to create socket");
}

memset(&s_addr, 0, sizeof(s_addr));
s_addr.sin_port = htons(PORTNUM);
s_addr.sin_family = AF_INET;

if (bind(s_sock, (struct sockaddr *)&s_addr, sizeof(s_addr)) < 0) {
die("failed to bind");
}

if (listen(s_sock, CONNMAX) < 0) {
die("failed to listen");
}

while (1) {
unsigned int c_addr_len = sizeof(c_addr);
if ((c_sock = accept(s_sock, (struct sockaddr *)&c_addr, &c_addr_len)) < 0) {
die("failed to accept");
}
c_action(c_sock);
}

close(s_sock);
return 0;
}

然后是客户端代码（hwclient2.c），逻辑和之前的 hwclient.c 相同，向服务端连续发送 10 条消息，接受并打印返回信息。

[cpp]
view plaincopy

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORTNUM 6666
#define BUFFSIZE 32
#define die(err) { perror(err); exit(1); }

int main(void)
{
int c_sock;
struct sockaddr_in c_addr;
char buffer[BUFFSIZE];
int msgcount, received;

if ((c_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
die("failed to create socket");
}

memset(&c_addr, 0, sizeof(c_addr));
c_addr.sin_port = htons(PORTNUM);
c_addr.sin_family = AF_INET;

if (connect(c_sock, (struct sockaddr *)&c_addr, sizeof(c_addr)) < 0) {
die("failed to connect");
}

msgcount = 0;
char *send_s = "Hello";
int len_i = strlen(send_s);
while (msgcount < 10) {
received = 0;
// 发送消息
if (send(c_sock, send_s, len_i, 0) != len_i) {
die("failed to send");
}
printf("Send %s\n", send_s);
// 接收反馈
while(received < len_i){
int bytes = 0;
if ((bytes = recv(c_sock, buffer, BUFFSIZE-1, 0)) < 1) {
die("failed to recv");
}
received += bytes;
buffer[bytes] = '\0';
printf("Recv %s\n", buffer);
}
msgcount++;
}

close(c_sock);
return 0;
}

接着，我们也在未启动 hwserver2 的情况下运行 hwclient2，发现程序直接报错“Connection refused”的连接错误（如图2-2），说明连接不上服务器，这显然是符合常理的。相比之下，ZeroMQ 的表现就显得比较怪异了。因为我们在未启动 hwserver 的情况下运行 hwclient，发现程序并没有报连接错误，反而是在发送过一条消息之后阻塞住了（如图2-1）；接着我们尝试启动 hwserver，发现 hwclient 又继续运行下去了，直至把 10 条消息发送完毕。



图2-2

TIP：关于 hwserver 和 hwclient 的代码请参考《ZeroMQ 深度探索（一）》

从以上现象可以看出，ZeroMQ 的 zmq_connect 方法其实只是建立了一个“虚连接”，和 Socket 的 connect 方法完全不同；实际上，从 ZeroMQ 的源码中也可以看出这点。起初我也感觉这个逻辑很奇怪，但实际上正因为有了这个特性，当我们使用 ZeroMQ 构建分布式系统的时候就不需要关心节点启动先后顺序的问题，为我们提供了不少便捷。但是，如果不善用这个特性极有可能导致严重的问题。比如，我们想使用 ZeroMQ 进行无状态模式发送，即类似于 HTTP 的“发送-接收-结束”的模式；假如在发送的过程中网络断线了，就会导致大量请求被阻塞住，严重者可导致服务器资源被耗尽！

如果要解决以上问题，一般的思路是设置超时，ZeroMQ 可以通过使用 zmq_poll 方法或者设置 ZMQ_LINGER 参数来设置请求超时，但是这也可能导致一些问题。超时时间设置太小容易丢失数据，设置太长又会影响运行效率，我们需要的是一个更可靠的网络通信方案。一种简单直接的方式就是对客户端程序进行改造，使之在不稳定的网络环境中也可以稳定运行，请参考以下代码实现。

[cpp]
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#include <zmq.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>

int main (void)
{
// Socket to talk to clients
void *context = zmq_ctx_new ();
void *responder = zmq_socket (context, ZMQ_REP);
int rc = zmq_bind (responder, "tcp://*:5555");
assert (rc == 0);

char buffer [10];
char *send_s = "World";
while (1) {
// 接收消息
zmq_recv (responder, buffer, 10, 0);
buffer[5] = 0;
printf ("Recv %s\n", buffer);
// 发送反馈
zmq_send (responder, send_s, 5, 0);
printf ("Send %s\n", send_s);
sleep(1);
}
return 0;
}

首先是改造过的 ZeroMQ 的服务端代码（hwserver3.c），我们只是在原有代码（hwserver.c）上稍作修改，添加了获取到客户端请求之后返回“World”字符串的逻辑。

然后就是改造过的 ZeroMQ 的客户端代码（hwclient3.c）了，客户端的改动就大了，以下是其主要逻辑要点：

1、循环发送“Hello”字符串到服务端，然后接收返回的字符串“World”并打印出来。

2、当发现连不上服务端时，重试 3 次；如果仍然连不上，则主动结束客户端。

3、设置 ZMQ_LINGER 为 1 毫秒，表示连接不上，立即返回，不会阻塞。

[cpp]
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#include <zmq.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define SERVER_ENDPOINT "tcp://localhost:5555"
#define REQUEST_TIMEOUT 3000 // msecs, (> 1000!)
#define REQUEST_RETRIES 3 // retry before we abandon

void *zmq_socket_new (void *context)
{
int linger = 1;
void *zsocket = zmq_socket (context, ZMQ_REQ);
zmq_setsockopt(zsocket, ZMQ_LINGER, &linger, sizeof(linger));
zmq_connect (zsocket, SERVER_ENDPOINT);
return zsocket;
}

int main (void)
{
void *context = zmq_ctx_new ();
void *zsocket = zmq_socket_new(context);

char buffer [255];
char *send_s = "Hello";
int retries_left = REQUEST_RETRIES;

while (retries_left) {
// 发送消息
zmq_send (zsocket, send_s, strlen(send_s), 0);
printf ("Send %s\n", send_s);
// 重试次数
int expect_reply = 1;
while (expect_reply) {
// 停止重试
if (retries_left == 0) {
printf("Server offline, abandoning ...\n");
break;
}
// 多路复用
zmq_pollitem_t items [] = { { zsocket, 0, ZMQ_POLLIN, 0 } };
int rc = zmq_poll (items, 1, REQUEST_TIMEOUT);
if (rc == -1) break; // Interrupted
if (items [0].revents & ZMQ_POLLIN) {
// 接收反馈
int size = zmq_recv (zsocket, buffer, 10, 0);
if (size > 255) size = 255;
buffer[size] = 0;
printf ("Recv %s\n", buffer);
if (buffer) {
retries_left = REQUEST_RETRIES;
expect_reply = 0;
}
}
// 重试连接
else {
printf("Retry connecting ...\n");
zmq_close (zsocket);
zsocket = zmq_socket_new(context);
// 重发消息
zmq_send (zsocket, send_s, strlen(send_s), 0);
printf ("Send %s\n", send_s);
--retries_left;
}
}
}
zmq_close (zsocket);
zmq_ctx_destroy (context);
return 0;
}

我们可以进行如下尝试，先启动服务端程序（hwserver3），然后再启动客户端程序（hwclient3），就可以看到客户端和服务端正在通信，客户端发送“Hello”，服务端反馈“World”，一切正常。接着我们停止服务端程序，我们马上发现客户端开始尝试重连（提示“Retry connecting ...”）；接着我们马上重新打开服务端，就会发现客户端和服务端又恢复通信了；然后我们把服务端程序再次停止，我们看到客户端尝试重连 3 次之后，最终停止了（提示“Server offline, abandoning ...”），如图2-3所示。



图2-3

以上的设计模式被我们称之为“客户端信任”的模式，通过这种设计，我们建立了一个可控的、相对稳定的 C/S 通信模型。当然，从以上代码中我们也可以看到 ZeroMQ 中多路复用的用法，也就是 int zmq_poll (zmq_pollitem_t *items, int nitems, long timeout); 方法的使用，三个参数分别是 poll 项列表、poll 项个数以及 poll 超时时间（毫秒），其中 zmq_pollitem_t 的结构如下：

typedef struct

{

void //*socket//;

int //fd//;

short //events//;

short //revents//;

} zmq_pollitem_t;

此外，ZeroMQ 支持多种多路复用模式（参考源码 poller.hpp），列举如下：

1、select（支持unix/windows）

2、poll（支持unix）

3、epoll（支持linux）

4、kqueue（支持freebsd）

5、devpoll（zmq自研的poll）

其中，Linux 下默认使用的是 epoll 方式；当然，在编译的时候也可以通过 --with-poller 参数来配置所需的多路复用模式。话说回来，ZeroMQ 的网络通信模型和 Socket 还是有很多不同的，使用的时候一定要特别注意。在下篇中我们将介绍 ZeroMQ 消息的包装方式，进一步理解 ZeroMQ 网络通信的细节，学习其构建分布式系统的理念。